追溯高分子材料的历史：第 1 部分
我会定期收到电子邮件，询问我是否听说过与塑料行业相关的特定历史事件。其中一个引起广泛关注的故事是关于美国发明家约翰·韦斯利·凯悦 (John Wesley Hyatt) 的故事，他因创造了一种通常被称为第一种塑料的材料而受到赞誉。这种材料于 1869 年以赛璐珞的名义获得了专利。故事中最受关注的部分是凯悦获得了 10,000 美元的奖金，该奖金由台球大师迈克尔·费兰 (Michael Phelan) 提供，他在 1860 年代初开始担心象牙短缺及其影响这是台球的成本。
由于几个原因，这个故事非常吸引人。首先，它强化了我们行业根深蒂固的想法，即通过天才化学创造的合成材料已经取代和改进了源自天然来源的材料。另一个因素是奖金的数额，相当于今天的近 200,000 美元。
像往常一样，赛璐珞的发明故事要复杂得多，而且很大程度上依赖于以前的成就。它的推出伴随着另一项值得注意的发明，该发明对我们行业的影响比材料本身大得多。虽然与创造合成材料相关的成就主要是科学方面的成就，但它们与商业世界交织在一起，因此——因为涉及金钱——与律师有关。本系列文章将致力于以更敏锐的眼光回顾我们行业的历史以及我们是如何走到今天的。
合成材料世界的灵感来自自然界中可以找到的材料世界。似乎已经开始整个过程的材料是天然橡胶，一种来自某些树木的物质，化学上称为聚异戊二烯。分子中原子的两种不同排列的化学结构，称为异构体，如附图所示。
<图片>16 世纪和 17 世纪前往加勒比海和中美洲的欧洲探险家发现了使用这种材料制作实心球以及用它制作防水织物的文明。由具有我们今天所说的弹性特性的材料制成的实心球的存在对北欧人来说是一个启示，他们只体验过由充气皮囊制成的球。产生所有这些产品的是顺式异构体。我们很快就会谈到反式异构体。
一位法国探险家在 1730 年代前往秘鲁时遇到了类似的材料，到 1751 年，关于这种新材料的第一篇科学论文已经发表。但在这一点上，材料的化学性质还不是很清楚。特别是，温度对材料特性的影响对欧洲的商业应用造成了障碍。与中美洲的气候不同，给定海拔的温度波动相对较小，欧洲从冬季到夏季的温度变化更为显着。在寒冷的温度下，材料变得又硬又脆，而夏天的炎热使材料变得非常柔软和粘稠。最有创意的使用为产品进入后期 th 世纪就像橡皮擦纸上的铅笔痕迹。橡胶这个名字来源于这种特殊的品质。
这个化学时代的进步很大程度上是通过反复试验带来的意外发现。 1820 年，两个不同领域的商人通过这样的意外独立发现聚异戊二烯可溶于石脑油和松节油。然后可以将溶解的橡胶涂在棉布上制成防水衣服。只要天气不会变得太热，这种方法就很有效。当它这样做时，涂层织物会变粘并失去形状。
使用聚异戊二烯的温度限制一直是一个问题，直到 1830 年代和 40 年代，当时 Charles Goodyear 使用与他的前辈一样随机的实验方法，偶然发现了两种技术，首先解决了高温性能问题，并且然后，三年后，更广为人知的硫化工艺提高了材料在低温下的性能。固特异对显着提高材料性能的交联过程背后的化学原理一无所知。甚至“硫化”一词也是由一位英国竞争对手创造的，他发现了固特异的方法并在固特异在美国申请专利的同时在英国申请了专利。
橡胶复合，即通过添加增塑剂和填料来改变材料特性，还有几十年的时间。但是聚合物世界的基础已经建立。有趣的是，数百年前，中美洲的土著人就已经学会了如何通过吸食生胶乳来稳定橡胶的性能，大概是以一种不太受控制但同样有效的方式引入了交联材料所需的硝酸盐和硫化合物。
1850 年代，固特异和他的英国同行之间的法庭案件正在肆虐，一位在东南亚执业的英国外科医生观察到世界那个地区的土著人从生长在那个地区的一棵树中提取汁液。世界。他们在热水中将这种材料软化，然后将其模制成各种有用的产品，例如工具手柄和手杖。以产生树液的树种命名古塔胶，它在化学上是聚异戊二烯的反式异构体。
这是异构现象在决定聚合物性质方面的重要性的早期和极好的例证，我们在现代聚合物化学中广泛使用了这一原则。顺式异构体是无定形的，对温度变化非常敏感。这使得需要交联才能使材料有用。反式异构体能够结晶。因此，虽然它与顺式异构体具有相同的低温玻璃化转变温度，但它在室温以上具有有用的固体性质。
虽然古塔胶是另一种为土著文化所知并使用了数百年的材料，但在更有目标的欧洲人手中，它很快被用作水下电报线的绝缘材料。在这方面，它与顺式异构橡胶有一些相似之处，但也有一些重要的不同。两种材料的非极性结构使它们成为良好的电绝缘体。但是橡胶的无定形结构，即使是交联形式，也会导致材料对盐水缺乏耐化学性。 Gutta percha 具有理想的电气特性，但同时耐盐水和许多其他化学品。这种由结晶度引起的提高耐化学性的原理在聚合物领域也是众所周知的，它在我们行业历史的早期就使新的应用成为可能。
这也引起了与材料使用相关的另一个非常重要的方面的关注：新化学品的开发与加工方法的发明之间的关系。虽然这种材料用于涂覆电线，但一项非常重要的发明使这种能力成为可能：挤出机。
在我们的下一部分中，我们将继续讲述我们在赛璐珞方面的进展及其与另一个非常重要的加工发展的交集。
关于作者：Mike Sepe 是一位独立的全球材料和加工顾问，其公司 Michael P. Sepe, LLC 位于亚利桑那州塞多纳。他在塑料行业拥有 40 多年的经验，并协助客户进行材料选择、可制造性设计、加工优化、故障排除和故障分析。联系方式：(928) 203-0408 • [email protected]。
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